USB為所有類型的低功耗電子設(shè)備提供了巨大的電源機會，其中許多是電池供電的。USB的廣泛普及為電池充電設(shè)計帶來了獨特的機遇和挑戰(zhàn)。本文介紹如何將簡單的電池充電器連接到 USB 電源。本文對USB電源總線特性的綜述包括NiMH和Li+電池技術(shù)、充電方法和充電終止技術(shù)的概述，以及從USB端口對NiMH電池進行智能充電的完整電路示例。

介紹

通用串行總線 （USB） 端口是帶電源和接地的雙向數(shù)據(jù)端口。所有類型的外圍設(shè)備都可以連接到USB，包括外部驅(qū)動器，存儲設(shè)備，鍵盤，鼠標，無線接口，視頻和靜態(tài)相機，MP3播放器以及無數(shù)其他電子設(shè)備。其中許多設(shè)備由電池供電，有些帶有內(nèi)部電池。USB的廣泛普及為電池充電設(shè)計帶來了獨特的機遇和挑戰(zhàn)。本文介紹如何將簡單的電池充電器連接到USB電源。本文回顧了USB電源總線特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器和布線。概述了鎳氫（NiMH）和鋰電池技術(shù)、充電方法和充電終止技術(shù)。給出了從USB端口對NiMH電池進行智能充電的完整示例電路以及充電數(shù)據(jù)。

USB特性

USB總線可以為低功耗電子設(shè)備供電。它與主電源隔離，調(diào)節(jié)相對較好。但是，負載與主機或電源之間的可用電流和潛在相互作用存在限制。

USB 端口由一對 90Ω 雙向差分屏蔽雙絞線 V 組成總線（+5V電源）和接地。這四根電線用實心鋁制內(nèi)屏蔽層和絞合式外屏蔽層屏蔽。USB 2.0 規(guī)范的副本可從 USB 組織免費獲得。完全符合規(guī)范需要通過功能控制器在設(shè)備和主機之間進行雙向通信。該規(guī)范將單位負載定義為100mA （最大值）。任何設(shè)備允許消耗的最大電流為五個單位負載。

USB 端口分為提供最多一個單位負載的低功耗端口或最多提供五個單位負載的高功率端口。當設(shè)備首次連接到 USB 端口時，枚舉過程會標識設(shè)備以確定其負載要求。在此期間，僅允許設(shè)備從主機獲取一個單位負載。枚舉過程之后，如果主機中的電源管理軟件允許，則允許更高功率的設(shè)備消耗更高的電流。

某些主機系統(tǒng)（包括下游 USB 集線器）通過保險絲或有源電流傳感器進行電流限制。如果 USB 設(shè)備在未枚舉的情況下向 USB 端口提供高電流（超過一個單位）負載，則可能會導(dǎo)致可檢測到的過流情況，從而關(guān)閉正在使用的一個或多個 USB 端口。許多市售USB設(shè)備，包括獨立電池充電器，在沒有功能控制器處理枚舉過程的情況下消耗超過100mA的電流;它們冒著在錯誤的情況下給主機帶來問題的風險。例如，如果將一個消耗500mA電流的設(shè)備插入總線供電的USB集線器，如果未正確枚舉，則集線器端口和主機端口可能會過載。

當主機操作系統(tǒng)使用高級電源管理（尤其是筆記本電腦）并且期望端口電流極低時，會出現(xiàn)進一步的復(fù)雜性。在某些節(jié)能模式下，計算機向 USB 設(shè)備發(fā)出掛起命令，然后這些設(shè)備將進入低功耗模式。包括一個功能控制器來與主機通信，即使使用低功耗設(shè)備也是如此。

USB 2.0 規(guī)范非常全面，規(guī)定了電能質(zhì)量、連接器結(jié)構(gòu)、電纜材料、允許的壓降和浪涌電流。低電流和高電流端口具有不同的電能質(zhì)量規(guī)格。這些主要取決于主機和負載之間的連接器和電纜中的壓降，包括USB供電集線器上的壓降。主機（如計算機或自供電 USB 集線器）具有能夠支持高達 500mA 的大電流端口。低電流端口位于無源總線供電的 USB 集線器上。表1給出了高電流和低電流端口USB端口上游（源）側(cè)引腳電壓的允許容差。

表 1.USB 2.0 規(guī)范電能質(zhì)量標準

*這些規(guī)格適用于上游側(cè)主機或集線器端口連接器的引腳。由于電纜和連接器引起的額外I x R跌落必須單獨計算。

在與 USB 2.0 規(guī)范兼容的主機中，高功率端口的上游側(cè)提供 120μF 的低 ESR 電容。連接的USB器件的輸入電容限制為10μF，初始負載連接期間從主機（或供電集線器）消耗的總允許電荷為50μC。因此，當新設(shè)備連接到USB端口時，上游端口的瞬態(tài)壓降小于半伏。如果負載的正確運行需要更多的電容，則必須為其設(shè)置浪涌電流限制器，以不大于100mA的電流為較大的電容充電。

具有總線供電的USB集線器并附加了低功耗功能的USB端口的允許直流壓降如圖1所示。連接到未通電集線器的大功率負載具有比圖1所示更大的壓降，并且可能使總線過載。

圖1.從主機到低功率負載的壓降大于這些允許的直流壓降會使總線過載。

電池充電要求

單電池鋰離子和鋰聚合物

當今的鋰化學(xué)成分通常為4.1V至4.2V，當電池充電至其最大額定容量時。更新、更高容量的電池正在銷售，電壓范圍為4.3V至4.4V。典型的棱柱形鋰離子（Li+）和鋰聚合物（Li-Poly）的容量為600mAh至1400mAh。

Li+和Li-Poly電池的首選充電曲線是以恒定的充電電流開始充電，直到電池電壓達到額定電壓。發(fā)生這種情況時，充電器會調(diào)節(jié)電池兩端的電壓。這兩種調(diào)節(jié)狀態(tài)稱為恒流 （CC） 和恒壓 （CV） 充電;因此，這種類型的充電器通常被稱為CCCV充電器。當CCCV充電器處于CV模式時，進入電池的電流開始下降。對于0.5C至1.5C的典型充電速率，當電池接受約80%至90%的完全充電容量時，就會發(fā)生CC和CV模式之間的過渡。一旦充電器處于 CV 充電模式，它就會監(jiān)控電池電流;當達到低閾值（毫安或幾十毫安）時，充電器終止充電。鋰化學(xué)電池的典型充電曲線如圖2所示。

圖2.顯示使用CCCV充電器充電的Li+電池的典型結(jié)果。

圖1所示的USB壓降表明，位于端口供電集線器下游側(cè)的低功耗端口幾乎沒有足夠的裕量將電池充電至4.2V。充電路徑中的少量額外電阻可能會阻止正常充電。

Li+和Li-Poly電池應(yīng)在中等溫度下充電。制造商推薦的最高充電溫度通常在+45°C至+55°C范圍內(nèi)，允許放電溫度高出約10°C。這些電池中使用的材料具有高反應(yīng)性，如果電池溫度超過+70°C，就會點燃。 鋰化學(xué)電池的充電器應(yīng)設(shè)計有熱切斷電路，該電路可監(jiān)控電池溫度，并在電池溫度超過制造商建議的最高充電溫度時終止充電。

鎳氫電池

NiMH電池比鋰基電池更重，能量密度更低。從歷史上看，它們比鋰便宜，但價格差距最近一直在縮小。NiMH電池有標準尺寸，在大多數(shù)應(yīng)用中可直接替代堿性電池。標稱值為每節(jié)電池為1.2V，充滿電時高達1.5V。

鎳氫電池通常由恒流源充電。當它們達到完全充電狀態(tài)時，會發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池溫度升高，端電壓降低。可以檢測電池溫度的上升速率或負電壓變化，并用于終止充電。這些端接方法分別稱為dT/dt和-ΔV。在非常低的電荷速率下，dT/dt和-ΔV效應(yīng)變得不那么明顯，并且難以準確檢測。dT/dt 和 -ΔV 響應(yīng)在電池開始過充電時開始。超過此點繼續(xù)充電可能會損壞電池。

在高于 C/3 的充電速率下進行終止檢測比在低充電速率下容易得多。溫升約為1°C/min，-ΔV響應(yīng)比較低速率時更明顯。快速充電終止后，建議在降低電流下增加充電周期以對電池進行充電（浮充）。當浮充循環(huán)完成后，C/20 或 C/30 的涓流充電電流抵消自放電的影響，并使電池保持完全充電狀態(tài)。使用DS2712 NiMH充電器的部分充電NiMH電池在充電周期內(nèi)的電池電壓如圖3所示。在此圖中，上部曲線是電流被驅(qū)動到電池時獲取的數(shù)據(jù);下面的曲線顯示了在充電電流源關(guān)閉時獲取的數(shù)據(jù)。在DS2712中，這種電壓差用于區(qū)分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，DS2712不會充電。

圖3.DS2712充電控制器用于為NiMH電池充電。

開關(guān)與線性

USB 2.0 規(guī)范允許從低功耗端口提供高達 100mA 的電流，從高功率端口提供高達 500mA 的電流。如果使用線性調(diào)整元件來調(diào)節(jié)電池的充電電流，則這些是最大允許充電電流。線性調(diào)整元件（圖4）的功耗為P = VQx I巴特.這會導(dǎo)致調(diào)整管中的功率耗散，并且可能需要使用散熱器以防止過熱。

圖4.功耗是電池電流乘以調(diào)整管兩端的電壓。

對于5V的標稱輸入電壓，調(diào)整元件根據(jù)電池的類型和數(shù)量以及電池電壓消耗不同的功率。

圖5.功率耗散在線性調(diào)整元件中，NiMH 電池在 5.0V 輸入電壓下從 USB 端口耗散。

圖5顯示了在標稱輸入電壓為5.0V時，帶NiMH電池的線性USB充電器的計算功耗。使用單節(jié)電池充電時，線性充電器的效率僅為 30% 左右;兩節(jié)電池充電器的效率為 60%。以500mA電流為單節(jié)電池充電可產(chǎn)生高達2W的功耗。這種功率通常需要散熱器。在2W的功耗下，+20°C/W散熱器從+65°C的環(huán)境溫度加熱到約+25°C，并且需要暴露在自由空氣中才能充分發(fā)揮性能。在有靜止空氣的外殼內(nèi)，它會變得更熱。

使用基于開關(guān)穩(wěn)壓器的充電器可以解決幾個問題。首先，與線性充電器相比，電池充電速度更快，電流更高（圖 6）。由于作為熱量損失的功率更少，因此減少了熱管理問題。此外，充電器更可靠，因為它運行溫度更低。

圖6.為單節(jié)鎳氫電池充電時，線性充電器與開關(guān)充電器的充電時間不同。

圖6中的計算值基于從大功率USB端口以90mA最大允許電流的500%左右充電。本例中的開關(guān)穩(wěn)壓器假定為效率為77%的異步降壓轉(zhuǎn)換器。

電路示例

圖7所示電路是一個開關(guān)模式降壓穩(wěn)壓器，用于為單個NiMH電池充電。它使用DS2712充電控制器來調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)控溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度高于 +45°C 或低于 0°C，控制器不會開始為電池充電。

圖7.示意圖顯示了從USB端口充電的單節(jié)NiMH。

在圖7中，Q1是降壓充電器的開關(guān)功率晶體管;L1是平滑電感;D1是續(xù)流二極管或箝位二極管。輸入 C1 是一款 10μF、極低 ESR 陶瓷濾波電容器。用鉭或其他電解電容器代替C1會對充電器性能產(chǎn)生不利影響。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準電壓為0.125V，遲滯分量為24mV。閉環(huán)、開關(guān)模式電流控制通過 CSOUT 提供。當 Q1 的柵極被電荷控制引腳 CC2 拉低時，使能 Q1 的柵極驅(qū)動。Q1 和 Q2 均為低 Vt（柵源閾值電壓）pMOSFET。當CC1和CSOUT均為低電平時，Q2的漏源電壓略高于1 Vt。該電壓加上CSOUT的正向壓降，確定了Q1的可用開關(guān)柵極驅(qū)動電壓。 當CC8為低電平時，它使能電流的閉環(huán)控制。啟動開關(guān)波形如圖0所示。頂部波形是125.1Ω檢流電阻兩端的電壓，底部波形是Q1漏極至GND電壓。最初，當Q1導(dǎo)通時，電感中的電流斜坡上升（CC0和CSOUT均為低電平）。當電流達到125.0V時，CSOUT變?yōu)楦唠娖健４送猓娏髦饾u下降，直到檢流電阻上的電壓達到約1.1V，然后CSOUT再次變?yōu)榈碗娖健Ｖ灰?CC<> 較低，此過程就會繼續(xù)。

圖8.圖中顯示了 USB NiMH 充電器的啟動波形。

DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機控制CC1的門控動作。充電開始時，DS2712進行電池鑒定測試，確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并驗證溫度是否在0°C至+45°C之間。 如果電壓低于1.0V，DS2712將CC1置于低電平，占空比為0.125，從而減慢電池充電速度以防止損壞。一旦電池電壓超過1.0V，狀態(tài)機將過渡到快速充電狀態(tài)。快速充電占空比為31/32，或約97%。“跳過”脈沖用于對電池進行阻抗測試，以確保充電器中未安裝高阻抗電池，例如堿性電池。快速充電一直持續(xù)到檢測到-2mV的ΔV。如果未檢測到-ΔV，則繼續(xù)快速充電，直到快速充電定時器到期或檢測到過熱或過壓故障情況（包括阻抗故障）。當快速充電完成后（由于-ΔV或快充定時器到期），DS2712進入定時浮充模式，占空比為12.5%，持續(xù)時間為編程快充超時的一半。浮充完成后，充電器進入占空比為 1/64 的維護模式，并保持維護狀態(tài)，直到電池被移除或重新供電。

圖7所示的充電器可在兩個多小時內(nèi)從大功率USB端口為2100mAh NiMH電池快速充電，并在大約三個小時內(nèi)實現(xiàn)完全充電。從端口汲取的電流為420mA。如果需要與主機進行枚舉并實現(xiàn)大電流使能，則可以在R9和地之間串聯(lián)插入一個漏極開路NMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，TMR懸空，DS2712處于掛起狀態(tài)。

總結(jié)

USB端口是一種經(jīng)濟實用的電源，用于為小型消費電子產(chǎn)品的電池充電。為了完全符合 USB 2.0 規(guī)范，連接到 USB 端口的負載必須能夠與主機進行雙向通信。負載還必須符合電源管理要求，包括低功耗模式和允許主機確定何時從端口獲取高功率的方法。雖然部分兼容的系統(tǒng)可能與大多數(shù) USB 主機兼容，但它們偶爾會產(chǎn)生意外結(jié)果。需要充分了解USB要求和負載期望，以便在完全合規(guī)性和負載復(fù)雜性之間做出正確的權(quán)衡。

審核編輯：郭婷